激光SLAM 技術在地鐵監護監測中的應用研究

王曉妍 WANG Xiao-yan

（上海地鐵維護保障有限公司工務分公司，上海 200070）

0 引言

目前，在地鐵安全保護區監測、地鐵確權項目測繪、地鐵搶險測繪、多測合一等空間結構復雜的應用場景中，測量測繪任務工作量大、工作時間緊，而且實測作業難度較高，因此使用傳統測量方法的時間、人力成本不易控制。此時，基于三維激光移動掃描和慣性導航的即時定位與地圖構建技術（Simultaneous Localization and Mapping，簡稱SLAM）表現出了獨有的優勢。

1 技術背景

SLAM 技術最早由Smith H 和Cheeseman L P 于1988年提出[1]。通俗來講，是指搭載特定傳感器的主體，在不具備外部環境先驗信息的前提下，在運動過程中建立起周圍環境的模型，并實現實時定位和增量地圖構建的功能，因此在現代測量測繪領域中具有重要的理論與應用價值[2]。技術路線如圖1 所示。

圖1 SALM 技術路線圖

SLAM 技術一般是由提供掃描或拍攝功能的傳感器和提供載體位置和姿態信息的慣性測量單元組成，獲取空間信息的傳感器從類型上可以分為基于相機拍攝技術的視覺SLAM 和基于激光掃描技術的激光SLAM，兩者優勢各異，功能互補。不過相對而言，目前基于激光SLAM 的理論研究較為完善，能夠提供設備搭載主體與周圍環境之間更為準確的距離信息，具有誤差分析模型簡單可靠，實際操作時受使用環境光照條件的影響較小等優點，并且配套產品更加成熟，點云拼接處理等內業操作較為簡便，因此給測量人員測繪工作帶來了便利。

其中激光SLAM 從工作方式上可以分為固定式和移動式[3]。固定式三維激光掃描儀可用于室內及室外環境掃描，并且測量精度較高。但應用于復雜空間時，需要大量換站，然后進行測站間的點云數據拼接，數據采集及數據后處理效率十分低下。而移動式SLAM 掃描儀技術在封閉空間內既不依托GPS 信號輔助定位，又能夠對室內及室外環境進行連續移動掃描，減少了數據后處理的誤差。因此，基于SLAM 的移動式激光掃描技術在測量測繪領域中的應用降低了作業復雜性，并且不需要大量標記地物特征點，可以廣泛適用于室內室外場景，對于解決現階段復雜封閉空間的定位及場景重建測繪問題具有極高的應用價值和廣闊前景[4-6]。

2 SLAM 技術特點

目前的地鐵安全保護區監測項目涉及到地鐵結構與周邊施工場地的邊線復核測量、施工場地標高測量、電纜通道等地下附屬結構測量等，測量需求較為復雜。地鐵安全保護區監測項目的常規測量方法為全站儀和RTK 相結合的方法，具體來說，利用RTK 設備做控制，通過全站儀引導線測量至地鐵結構內部，由此來得到地鐵結構與施工場地之間的相對位置關系。但是由于地鐵及附屬地下結構比較復雜，結構中樓梯較多、通視較差，結構測量面拐角多，甚至存在許多無法架站的位置，因此會導致測量結果出現偏差或缺失。使用傳統測量方法存在諸多不便，所以亟需一種可以代替傳統測量作業方式，并且結果精度滿足要求的新型測量方法。基于SLAM 技術的三維激光掃描儀恰好具備解決此類測量問題的功能[7，8]。

3 SLAM 作業流程

3.1 SLAM 外業流程

其中SLAM 掃描外業[9]主要是指測量人員在布設好控制點的區域內進行移動掃描，實時快速地建立起包含整個空間區域的特征信息三維點云數據，可以分為以下幾個關鍵步驟。

3.1.1 現場踏勘

在進行SLAM 掃描作業之前，通常要對實測場地做到充分了解，一般需組織測量人員現場踏勘周邊環境、空間信息，對測量重點和難點區域提出合適的掃描方案。

3.1.2 場地分區

在現場踏勘過程中，如果被測區域的面積較大，要綜合考慮測量設備的作業時間，對測量場地進行合理分區，避免由于設備電力供應不足導致的測量數據缺失。同時，各個分區間應保持一定的重合度，降低點云數據解算難度，保證最終合并的整體點云數據的精度。

3.1.3 控制點布設

同時，為了使后續的點云數據具備絕對坐標屬性，通常要在所測區內均勻布設3～5 個控制點，控制點的分散程度較好也能提高點云拼接精度，降低數據運算的算力成本。

3.1.4 線路規劃

在掃描路徑的提前規劃上，要綜合考慮作業效率、數據完整性、重點掃描區域結果精度幾個因素。一般來說，掃描路徑應盡可能短且閉合，降低測量人員作業時間，提高效率。

3.1.5 掃描作業

當上述步驟完成后，對掃描儀進行初始標定工作，等待掃描儀進入正常工作狀態，測量人員即可按照既定路線進行掃描作業。一般采取勻速前進的方式，來獲取密度均勻的點云數據。

3.2 SLAM 內業流程

SLAM 掃描內業數據處理主要是指對包含有空間特征信息的原始數據進行解算，拼接，賦予絕對坐標信息，去噪抽稀等操作，一般分為以下幾個關鍵步驟。

3.2.1 點云配準

點云配準是指將途經控制點的絕對坐標按照先后順序依次導入解算軟件，使解算后的點云數據帶有絕對坐標信息。同時生成本次掃描區域點云數據的精度報告，初步評估本次作業的結果精度。根據相關規范規定[10]，一般來說，當中誤差在5cm 以內時，可視為點云精度滿足后續處理要求[11]。

3.2.2 數據拼接

該步驟并非常規作業步驟，但如果場地區域過大，掃描作業分次進行，通常需要對多段數據進行數據拼接工作。以本項目為例，由于本次測量區域范圍較大，在場地分區時將整個掃描區域分為三個部分。因此需要對三段點云數據進行拼接，具體的方法是通過通用點云處理軟件，將三段數據的重合區域進行套疊，通過后處理軟件消除誤差之后即可得到整個掃描區域的點云數據。

3.2.3 噪點清除

在外業掃描過程中，由于掃描儀的射程較遠，通常會有一些并非測量關注主要區域的空間點云的數據信息也被錄入原始數據文件中，在點云解算完畢后，可以通過點云切割等方式，可以將樹木、行人、建筑外立面等非必要信息剔除，方便后續成圖作業過程進行。

3.2.4 數據抽稀

由于激光掃描儀獲取的點云數據較為密集，當電腦性能不足或呈現結果形式中不需要密集點云時，可以適當調節點云數據的疏密程度，來達到理想的顯示效果，比如進行輪廓線繪制時，稀疏的點云格式能夠幫助內業人員粗略剔除無效數據，從而更好地完成各類成果圖繪制。因此這一步主要是為了保證內業處理效率。

3.2.5 切片處理

通過通用點云后處理軟件，利用旋轉、切分等操作從不同角度對點云數據做切片處理，能夠從不同視角切入整體點云，得到用于平面圖、立面圖、剖面圖等的部分點云數據圖，方便后續的繪圖工作進行。

3.2.6 成果繪制

將掃描和處理得到的點云數據導入工程制圖軟件中，可以進行整個項目平面圖的繪制工作，有了三維點云數據的參照，制圖工作的效率將大大增加，除此之外，配合魚眼相機拍攝到的現場掃描畫面，可以輔助進行項目內重要結構的平面圖繪制工作。另外，經過了引入絕對坐標的點云處理和精度分析，作圖精度可以得到充分保證。

4 測量結果分析

4.1 上海體育館SLAM 成果匯總

下面以上海體育館測繪項目為例，本次測量項目中，其中重點測量區域為地鐵附屬結構中的地鐵進出口樓梯和地下電纜通道。由于本次測量重點工作區域屬于地下復雜結構室內空間，存在較多上下樓梯，因此存在通視困難的問題；另外，地下結構GPS 信號弱易丟失，慣導RTK 設備也不具備使用條件。

首先，將去噪、抽稀過的正射點云數據導入工程制圖軟件如CAD 中，如圖2 所示。

圖2 正射點云數據導入CAD

將清除過噪點的正射點云影像數據導入CAD 等工程制圖軟件后，通過輪廓線繪制等常規工程圖制圖操作，即可方便快捷的完成內業的制圖流程。相比于傳統方法的內業制圖作業時間，該方法的內業數據解算和制圖能夠節約三分之二的作業時間，最終能提高3～5 倍左右的制圖效率。在點云數據基礎上進行繪圖操作，能夠有效減少人為因素導致的制圖錯誤，使得工程圖的制作均有物理遵循。

最后，從正射影像圖中可以提取，也可以得到矢量圖，可用于管線確定等特殊需求。

同時，在本次需要測量的重點區域，如電纜通道等位置，上下樓梯時全站儀所需控制點的轉點較多、容易出現控制點偏差或丟失的情況、部分地鐵電纜通道的區域甚至無法架設全站儀，給本次測量作業造成了諸多困難，存在難以用傳統方法測量等問題。因此，需要采用SLAM 技術完成本次測量任務。

綜合考慮本次測量環境，在本次測量中，測量人員采用手持三維激光掃描儀的方式對整個測量空間進行掃描。點云切分后得到的地鐵出入口的點云剖面圖如圖3 所示。

圖3 地鐵出入口樓梯點云剖面圖

最后，通過對點云數據的旋轉、切分和截取，可以得到自上而下項目剖面圖，可以清晰的觀察到地面到地下的站廳、站臺、軌行區、上下樓梯、地鐵電纜等結構及相對位置。并且結構之間的相對高度能夠方便地確定，地鐵各層結構立面圖如圖4 所示。為后續的地鐵安全保護區監測及土方卸載施工工作提供了數據支持。

圖4 地鐵各層結構立面圖

4.2 淮海社區某地塊SLAM 成果匯總

淮海社區某地塊外邊線復合采用現有測量方法GPS與同樣的移動式SLAM 作業方法進行了整體結構的掃描做對比。日常邊線復核測量使用儀器為GPS，華策X10，坐標測量方法為RTK 平面碎部測量。根據GPS 測量指導書建議，需要現場負責人，GPS 主測工，線路協調員工3 人。SLAM 只需一名作業人員[12]，比使用GPS 節省人力。本次地塊邊線復核放樣位置因上行線地鐵結構隧道中心線、外邊線均處于建筑物正下方，因此對上行線地鐵隧道結構外邊線再外放3.6m 進行地面放樣，現將點位成果資料整理如表1 所示。

表1 上海淮海社區某地塊GPS 點位成果資料

該項目其余位置均處于建筑物下方無法放樣。但該項目的地下空間環境復雜，并且開挖基坑靠近軌道交通1 號線運營區間隧道側為地下一層。從邊線復核平面圖看無法了解地下與開挖項目的位置關系，影響地鐵隧道結構安全預警預控，GPS 掃描邊線復核平面圖。用SLAM 激光掃描技術對地下空間進行掃描，可得到地下空間與地面環境SLAM 掃描結果，如圖5 所示。SLAM 激光掃描技術解決了地下地上一體化三維空間測繪問題測繪成果[13]。

圖5 上?；春Ｉ鐓^某地塊地下地上環境SLAM 掃描結果

5 結論

本文以上海市地鐵安全保護區測繪項目為背景，綜合考慮了現場測量條件、測量規范規定及實際作業要求，在實際場地測繪中引進了GeoSLAM zeb-horizon 型手持式三維激光掃描儀。根據對作業過程的總結和結果的精度分析，得到了以下主要結論：

①復雜環境測量適用性好。該項技術尤其適用于地鐵保護區監測等相關項目的測量工作，可以搭配深度相機、激光雷達、慣導裝置等完成多傳感器融合測量，可以推廣到更加復雜地下空間場景的測量測繪中，具有較高的應用前景和使用價值。

②測量精度滿足規范要求。根據測量結果的點云拼接精度的分析，結合地下空間測量有關的規范規定，可以認為本方法的測量精度可以滿足一般工程的測量要求。

③提高作業效率，節約人力成本。在相關應用場景測量作業時，可以考慮本技術的優勢，可以將本技術用于測繪項目的數字化升級、智慧城市改造的重要組成部分，節省測量人員的作業難度，推動自動化檢測技術的進步。